一种新型在线腐蚀监测系统在集输天然气管道的应用

练 斌 陈振栋 李万炯 只 伟 杨 阳

（1. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2. 中海油油气田腐蚀防护中心，天津 300459；3. 中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452）

腐蚀监测是指对设备的腐蚀速度以及某些与腐蚀状态有密切关联的参数进行测量，并进而通过所测量的结果对生产过程相关条件实行自动控制或报警。通常无损检测技术超声检测在油气管道腐蚀监测领域占有重要地位，利用超声波在金属中的响应关系而发展的一种监测点蚀和裂纹缺陷及厚度的方法。超声检测的主要优点在于能够探测固体材料的内部，不同于光学方法、X射线衍射法和磁性测量方法仅能探测材料的表面和近表面区域。金属管道在长期服役过程中，疲劳、蠕变、热时效、辐射、腐蚀引起的材料微观组织变化也需要检测，在线监测金属管道应力及微观组织，以保证结构的安全性和可靠性。

0 引言

新疆某气库与站场具备多种规格各类天然气集输管道，根据短距离高压天然气集输管道特点，分析集输管道腐蚀现状及腐蚀检测技术应用情况，结合储气库作业区点检情况，确定集输管道的腐蚀关键位置进行监测，开发适用于高压天然气集输管道的腐蚀监测系统及腐蚀率计算等算法，研发一套腐蚀监测系统配套硬件设施并能够成功应用是很有必要的。

1 电磁超声腐蚀监测技术介绍

1.1 技术原理

对于钢制管道等磁性材料，电磁超声激发过程：置于磁性材料上方的线圈通以瞬态交变电信号产生交变磁场，导致处于偏置磁场中的材料表层磁化强度发生变化，产生磁致伸缩力和磁化力。交变磁化区域在磁致伸缩力和磁化力的共同作用下产生振动，进而产生超声波。

对于磁性导电材料，电磁超声是洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力共同作用产生的。

1.2 电磁超声技术优势及局限性

电磁超声检测[1]方法的优点主要有：

图1 电磁超声与压电超声测厚原理对比图

（1）非接触，不需要耦合剂。适用于高温、低温、干燥或真空环境条件下检测。适用于表面有覆盖层的工件检测。适用于快速和自动化检测；

（2）能产生各种波形的超声，包括纵波、各种偏振方向的横波（特别是水平偏振的横波）和各种类型的超声导波；

（3）电磁声换能器可实现主动调频发射和接受，适宜进行多频率检测，适宜进行多波形检测，适宜进行超声导波模态控制。

电磁超声检测方法的局限性：

（1）不适用于既非导电又非导磁材料检测；

（2）受被检材料电磁特性影响较大；

（3）采用永磁体式电磁声换能器检测铁磁性材料时，探头有吸力，移动比较困难，不便于进行手动扫查；

（4）边缘效应明显，在边缘处检测盲区较大；

（5）在某些场合下检测后需对工件进行退磁。

2 电磁超声腐蚀监测系统平台搭建

2.1 系统构架组成

电磁超声无线腐蚀监测[2]系统通过无线传输技术传输数据，使用技术具有超低功耗、安装简单、系统免维护、适用于恶劣环境等特点。如图2系统架构图所示，无线腐蚀监测仪通过无线组网（Lora传输协议）传输数据到无线网关，网关通过无线/有线上报数据到服务器，根据气库作业区现场情况，暂定通过光纤传输。

图2 腐蚀监测系统架构图

2.2 腐蚀监测系统平台

腐蚀监测系统平台软件主要由腐蚀在线监测软件、数据库、服务器等组成，系统软件为B/S构架，在浏览器上输入网址即可使用分析软作，无需要安装客户端和任何插件，保证数据浏览的灵活性。

监控平台集成了专业的腐蚀监测模块，可实现对有线腐蚀监测传感器设置及无线腐蚀监测仪的远程控制，计算腐蚀率，显示腐蚀厚度及相关数据，设置报警等完善的功能，包括：

（1）便捷易用：简便的数据获取、可视化显示、数据报表及易用的用户操作界面；

（2）灵活部署：支持公有/私有/混合云部署弹性扩容：自适应弹性伸缩扩展，支持千万级并发连接。

软件具备丰富的数据分析功能，如壁厚趋势分析，长短周期腐蚀速率分析，温度趋势分析等功能，如图3～图5所示。

图3 腐蚀监测系统界面示意图-1

图4 腐蚀监测系统界面示意图-2

图5 腐蚀监测系统界面示意图-3

2.3 无线腐蚀监测仪

无线腐蚀监测仪主要由超声波测量传感器[3]、温度测量传感器、高容量锂电池组成，一体化设计，具备本安防爆认证，可满足0区、1区设备要求。

2.4 腐蚀监测系统数据传输方案

（1）无线传输

由于现场环境，管线多，会阻挡传输信号，一般传输信号受影响比较大，而且距离较短，比如蓝牙传输协议。经分析测试验证，无线腐蚀监测仪与无线网关之间采用Lora无线传输协议，然后再通过专用线缆或者光纤将数据传输到服务器；

（2）有线传输

无线网关接收到无线腐蚀监测仪[4]的监测数据，将数据处理后，经由气库作业区光纤传输至机柜间内的服务器监控平台，可在同一局域网内的任意电脑内，通过网络登录进入腐蚀监测系统平台；

2.5 供电方案

无线腐蚀监测仪内置大容量锂电池，支持更换，使用寿命长达10年（默认采集周期为1天/次）。

无线网关需要外部供电，直流DC24V，现场需要提供电源。服务器安装在机柜间内，需要交流220V电源，建议提供UPS不间断电源。

3 腐蚀监测系统运行概况及数据分析

3.1 腐蚀数据统计

该电磁超声腐蚀监测系统于2021年11月15日启动运行至今，已稳定运行超过15月。全部数据存储于气库服务器，腐蚀防护工程师定期前往站场进行数据采集和设备维护，对腐蚀监测数据[5]进行收集和评估，提交电磁超声腐蚀监测分析报告。

系统设置监测周期设定为1天，我们选取2021年11月～2022年2月阶段数据进行分析。

气库某管线G1位置的起始壁厚和当前壁厚数据及腐蚀速率计算如图6所示。

图6 管线腐蚀监测信息数据表（G1监测点位）

3.2 腐蚀数据分析

电磁超声腐蚀监测系统在GI 监测点于2021年11月15日～2022年2月15日共采集103个数据，根据图7可以看出：依据NACE SP 0775 腐蚀速率分级标准，G1监测点位腐蚀速率在全区间内均属于严重腐蚀（v＞0.25mm/a），在2021年11月15日～2021年12月14日变化波动较大，在2022年2月7日后腐蚀速率又呈现上升的趋势。

图8 NACE SP 0775 腐蚀速率分级标准

NACE SP 0775油田生产中腐蚀挂片的准备和安装，其中第5部分腐蚀挂片数据解读中列出了油田生产系统碳钢腐蚀速率的定性分级表，这是目前油田最常使用的腐蚀速率定性分级方式，根据此分级方法，管线监测点属于严重腐蚀。

管线剩余壁厚曲线显示：壁厚变化在初始阶段呈现一个波动现象（如图9所示），由于测量位置腐蚀表面的粗糙度较大，造成超声信号的波动较大，因而解析的壁厚值也存在一定程度波动。后续壁厚数据平稳后整体壁厚值呈下降趋势，管线监测点在2022年2月8日下降至12.288mm，减薄了0.037mm。

图9 监测管线剩余壁厚

3.3 建议及措施

根据在用工业管道定期检验规程，该管线属于GC2级第四类管道，通过对管线全面、在线腐蚀监测，压力试验数据及管道耐压强度计算分析后，按照工业管道检验规程的相关规定，对监测管段进行安全状况评价，此段安全状况等级达到四级。

根据上述分析此段安全状况等级达到四级，并且金属损失超过54.48%，根据ASME PCC-2-2018 压力设备和管道维修标准，建议：

（1）采用纤维材料对监测管道段进行补强修复；

（2）停产大检修时，可进行切割换管。

4 结语

在油气生产及储运等生产过程的腐蚀控制，按过程中、过程前、过程后的区段采取措施时，前～中～后所耗费的人力、财力是成倍、甚至是万倍以上增长的。过程中进行腐蚀监测也是防止过早腐蚀失效的重要方法。开展在线定点测厚腐蚀监测，加强腐蚀监测是腐蚀控制的重要环节。配备先进的监测仪器，结合现场在线检测为主，停工检查为辅，一定可以大为缩短大修周期，大大节约检修成本和生产成本。此外还需建立稳定可靠有效的腐蚀档案数据库，为管道设备的使用寿命检测评估提供数据支持。

电磁超声腐蚀监测系统，在本次储气库的应用，表明了作业者在腐蚀控制领域实施新技术的强大决心，事实证明电磁超声新型腐蚀监测技术具有广阔的实用价值和应用前景。